CN207976265U - 用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备 - Google Patents
用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备，属于结构高温高速冲击动力学研究领域，包括从后至前依次安装的空气炮、弹托分离器和靶体，所述空气炮包括从前至后依次连接的炮管、装弹舱、主气室和副气室，所述炮管、所述装弹舱、所述主气室和所述副气室位于同一中轴延长线上。该设备为一套简单多用途高性能的高速高温撞击试验装置，能够确保试样的碰靶姿态和试验温度可调、可控和可测，确保试验的稳定性，能够保证实验对象在给定的温度和速度条件下，按照预定角度撞击靶体，整体结构简单，操作非常方便。
Description
技术领域
本实用新型属于结构高温高速冲击动力学研究领域，具体涉及一种用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备。
背景技术
随着时代的进步和科学技术的发展，产品的安全性特别是异常事故下的安全性日益受到关注，而且逐渐成为产品研制过程中不可或缺的技术指标之一。异常事故下的安全性是指产品因异常高速碰撞或/和火烧下防止爆炸和有害物质泄漏的能力。如深空探测的放射性同位素热/电源，在意外再入时可能经历高温高速撞击，致使其外壳体破裂而发生反射性材料泄漏，给生态或人类带来灾害；核电站乏燃料包装箱的跌落/火烧，也可能诱发严重的安全事故等。国内外对此开展了大量的研究。但是在已有产品异常事故下安全性的研究中，通常将高速撞击和高温作用下结构的安全性分别研究，但是异常事故中高速碰撞和高温作用往往是同时发生的，因此开展产品高温高速撞击同时作用下的安全性显得尤为重要。
美国利用同位素能源撞击试验机(Isotope Fuels Impact Tester，IFIT)实现了轻质量同位素热源(LWRHU)和通用热源同位素电池(GPHS-RTG)单个热源的高温高速撞击试验。为了防止有害物质的泄漏，IFIT的结构设计异常复杂，主要分为五部分：空气炮、弹、激发装置、碰撞室和能量吸收装置，每部分又由若干小部件组成。对于整个GPHS-RTG，则采用火箭橇加速方法实现了高温高速撞击试验，具体的方法是首先利用电炉将GPHS-RTG加热至设定温度(>1000℃)，然后远程控制将其安装在火箭橇上，当火箭橇加速到设定速度后，利用阻挡机构使GPHS-RTG与火箭橇分离，最后GPHS-RTG与靶体自由碰撞；或者采用“逆弹道”的方法利用火箭橇将靶体加速到设定速度后，撞击固定安装的GPHS-RTG。中国原子能科学研究院实用新型了“一种用于高温高速撞击试验的装置”(CN 203849118U)。该装置为基于压缩空气加载的“一种材料性能检测装置”，可以“较准确地模拟同位素热源在假象事故环境下与地面的撞击过程”，设计“保温弹托”可以“更为精确地模拟温度”。
虽然美国的IFIT、火箭橇以及中国原子能研究院的装置可以实现同位素热/电源的高速高温撞击试验，但是存在结构复杂、操作不易、测试不便和扩展性差等不足。美国的试验技术的具体细节未见公开公布，难以在工程实际中应用和推广。中国原子能科学研究院研发的装置主要用于研究材料高温高速撞击力学性能，难以拓展应用到研究结构高温高速撞击响应、特别是不同姿态下的动力学响应；同时因保温弹托与模拟热源无法完全分离，弹托分离产生的碎片和粉尘等容易影响试验件碰靶姿态的控制和冲击响应的测试。因此，开发一套简单多用途高性能的高速高温撞击试验装置已成为工程产品研制中亟待解决问题。
实用新型内容
本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备。
本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
一种用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备，包括从后至前依次安装的空气炮、弹托分离器和靶体；
所述空气炮包括从前至后依次连接的炮管、装弹舱、主气室和副气室，所述炮管、所述装弹舱、所述主气室和所述副气室位于同一中轴延长线上；
所述主气室与所述副气室之间安装有双头活塞，所述双头活塞沿前后方向布置，其前活塞位于所述主气室内并作为所述装弹舱后端口的阀门，其后活塞位于所述副气室内；
所述副气室通过所述双头活塞的后活塞分成副气室Ⅰ和位于副气室Ⅰ前方的副气室Ⅱ，所述双头活塞的活塞杆穿过所述副气室Ⅱ的前侧壁，所述双头活塞的活塞杆与所述副气室Ⅱ的前侧壁之间形成密封；
所述副气室Ⅰ设置有进气管Ⅰ和泄气管，所述副气室Ⅱ和所述主气室分别设置有进气管Ⅱ和进气管Ⅲ；
所述装弹舱内设置有用于装载和加热试样的弹载加热装置，弹载加热装置为沿前后方向布置圆筒状结构，其后端封闭且前端设置试样出口；
所述弹托分离器的中心设置有用于通过试样的通孔，该通孔与所述弹载加热装置和所述炮管位于同一中轴延长线上，其孔径小于所述弹载加热装置的外径；
所述靶体朝向所述弹托分离器倾斜，且所述弹托分离器的中心通孔的正前方投影位于所述靶体上。
作为本专利选择的一种技术方案，所述炮管、所述装弹舱、所述主气室均通过支座支撑。
作为本专利选择的一种技术方案，所述双头活塞的前活塞为朝向所述装弹舱的锥形结构，其最大直径大于所述装弹舱的后端口口径。
作为本专利选择的一种技术方案，所述双头活塞的活塞杆与所述副气室Ⅱ的前侧壁之间通过密封圈Ⅰ密封。
作为本专利选择的一种技术方案，所述装弹舱包括装弹舱体、装弹舱盖，所述装弹舱体前后相通，且前端口与所述炮管连通，后端口与所述主气室连通并正对所述双头活塞，所述装弹舱体的顶部开口并安装有所述装弹舱盖，所述装弹舱盖与所述装弹舱体之间通过密封圈Ⅱ密封。
作为本专利选择的一种技术方案，所述弹载加热装置内设置有加热器，且外层包裹有保温隔热层。
作为本专利选择的一种技术方案，所述靶体和所述弹托分离器均安装于一个靶室内，所述炮管通向所述靶室，所述靶体通过靶体安装支架固定，所述弹托分离器通过弹托分离器安装支架固定。
作为本专利选择的一种技术方案，所述弹托分离器包括分离筒、连接在所述分离筒前端的底板、同时与所述分离筒外壁和所述底板焊接的若干分离筋，所述分离筒的前后两端开口，所述分离筒的前端口通向所述靶体且后端口通向所述炮管。
本实用新型的有益效果在于：
该设备为一套简单多用途高性能的高速高温撞击试验装置，能够确保试样的碰靶姿态和试验温度可调、可控和可测，确保试验的稳定性，能够保证实验对象在给定的温度和速度条件下，按照预定角度撞击靶体，整体结构简单，操作非常方便。
附图说明
图1是本实用新型所述分离式实验设备的剖视结构示意图；
图2是本实用新型所述装弹舱的主剖视结构示意图；
图3是本实用新型所述装弹舱的侧剖视结构示意图；
图4是本实用新型所述弹托分离器的主剖视结构示意图；
图5是本实用新型所述弹托分离器的侧视结构示意图；
图中：1-进气管Ⅰ，2-进气管Ⅱ，3-进气管Ⅲ，4-双头活塞，5-装弹舱，6-弹载加热装置，7-试样，8-炮管，9-弹托分离器，10-弹托分离器安装支架，11-靶体，12-靶体安装支架，13-靶室，14-支座，15-主气室，16-密封圈Ⅰ，17-副气室Ⅱ，18-副气室Ⅰ，19-泄气管，20-装弹舱盖，21-装弹舱体，22-密封圈Ⅱ，26-分离筒，27-分离筋，28-底板。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
结合图1至图5所示，本实用新型包括从后至前依次安装的空气炮、弹托分离器9和靶体11；
空气炮包括从前至后依次连接的炮管8、装弹舱5、主气室15和副气室，炮管8、装弹舱5、主气室15和副气室位于同一中轴延长线上；
主气室15与副气室之间安装有双头活塞4，双头活塞4沿前后方向布置，其前活塞位于主气室15内并作为装弹舱5后端口的阀门，其后活塞位于副气室内；
副气室通过双头活塞4的后活塞分成副气室Ⅰ18和位于副气室Ⅰ18前方的副气室Ⅱ17，双头活塞4的活塞杆穿过副气室Ⅱ17的前侧壁，双头活塞4的活塞杆与副气室Ⅱ17的前侧壁之间形成密封；
副气室Ⅰ18设置有进气管Ⅰ1和泄气管19，副气室Ⅱ17和主气室15分别设置有进气管Ⅱ2和进气管Ⅲ3；
装弹舱5内设置有弹载加热装置6，弹载加热装置6为横向布置的圆柱形结构，其内部设置有用于放置试样的加热仓，该加热仓的前侧开口并朝向炮管8；
装弹舱5内设置有用于装载和加热试样7的弹载加热装置6，弹载加热装置6为沿前后方向布置圆筒状结构，其后端封闭且前端设置试样出口；
弹托分离器9的中心设置有用于通过试样的通孔，该通孔与弹载加热装置6和炮管8位于同一中轴延长线上，其孔径小于弹载加热装置6的外径；
靶体11，靶体11朝向弹托分离器9倾斜，且弹托分离器9的中心通孔的正前方投影位于靶体11上。
作为本专利选择的一种技术方案，炮管8、装弹舱5、主气室15均通过支座14支撑，在实验时，支座14是支撑在地基上的。
作为本专利选择的一种技术方案，双头活塞4的前活塞为朝向装弹舱5的锥形结构，其最大直径大于装弹舱5的后端口口径。
作为本专利选择的一种技术方案，双头活塞4的活塞杆与副气室Ⅱ17的前侧壁之间通过密封圈Ⅰ16密封。
作为本专利选择的一种技术方案，装弹舱5包括装弹舱体21、装弹舱盖20，装弹舱体21前后相通，且前端口与炮管8连通，后端口与主气室15连通并正对双头活塞4，装弹舱体21的顶部开口并安装有装弹舱盖20，装弹舱盖20与装弹舱体21之间通过密封圈Ⅱ22密封。
作为本专利选择的一种技术方案，弹载加热装置6内设置有加热器，且外层包裹有保温隔热层，加热器用于对试样加热，保温隔热层用于减少与外部其它结构之间的热传递。顾名思义，弹载加热装置6用于装载试样和对试样进行加热，并能与本专利中其它结构匹配，实现试样7与弹载加热装置6的分离即可，并此处所提出的这种结构。
作为本专利选择的一种技术方案，靶体11和弹托分离器9均安装于一个靶室13内，炮管8通向靶室13，靶体11通过靶体安装支架12固定，弹托分离器9通过弹托24分离器安装支架10固定，靶体安装支架12和弹托24分离器安装支架10均通过地脚螺栓固定并支撑在靶室13的地基上。为了便于观察撞击情况，靶室13设有防弹玻璃制作的观测窗。
作为本专利选择的一种技术方案，弹托分离器9包括分离筒26、连接在分离筒26前端的底板28、同时与分离筒26外壁和底板28焊接的若干分离筋27，分离筒26的前后两端开口，分离筒26的前端口通向靶体11且后端口通向炮管8。弹托分离器9的作用是将试样与弹载加热装置6分离，使试样以自由状态撞击靶体11；同时起着阻挡气流、粉尘、碎片等作用，避免影响试样的碰靶状态及其测试。
本实用新型的工作原理如下：
图1表达出了试样处于加热或待发射时，各部组件的相对位置关系图；
实施过程中，需要先测试得出试样发射的控制时间，具体如下：
选用一个试样7，安装于弹载加热装置6中，然后放置于装弹舱5中，接通弹载加热装置6的电源，即接通其加热器电源，对试样7进行加热，并使温度T0高于实验要求的碰靶温度T1，然后断电，测试试样7表面温度由T0降至T1所需的时间Δt，最后断电，待弹载加热装置6冷却后取出含试样7的弹载加热装置6，以时间Δt控制试样7的发射。
当获取到时间Δt后，开始实验，根据实验条件按照图1所示结构完成靶体11和弹托分离器9的安装。然后将试样7安放至弹载加热装置6中。接着将含试样7的弹载加热装置6装入装弹舱5中，接通电源给试样7加热，使试样7的表面温度T0。在加热试样7的过程中，利用进气管Ⅰ1给副气室Ⅰ18充气至压力P1，推动双头活塞4，借助双头活塞4的头部和密封圈Ⅰ16密封主气室15，然后给主气室15充气直至预定气压P3。当试样7完成加热时，利用进气管Ⅰ1和进气管Ⅱ2给副气室Ⅱ17充气至设定的气压P2。切断弹载加热装置6的电源后，给装弹舱5安装装弹舱盖20，利用装弹舱盖20和密封圈Ⅱ22密封装弹舱5。最后，打开泄气管19泄气降低副气室Ⅰ18的气压，使得双头活塞4后移，解除主气室15的密封，主气室15的高压气体随即快速进入装弹舱5，驱动弹载装置在炮管8中高速运动。当弹载加热装置6与弹托分离器9接触时，弹载加热器与试样7脱离，试样7将自由飞行并与靶体11相撞。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备，其特征在于：包括从后至前依次安装的空气炮、弹托分离器和靶体；
所述空气炮包括从前至后依次连接的炮管、装弹舱、主气室和副气室，所述炮管、所述装弹舱、所述主气室和所述副气室位于同一中轴延长线上；
所述主气室与所述副气室之间安装有双头活塞，所述双头活塞沿前后方向布置，其前活塞位于所述主气室内并作为所述装弹舱后端口的阀门，其后活塞位于所述副气室内；
所述副气室通过所述双头活塞的后活塞分成副气室Ⅰ和位于副气室Ⅰ前方的副气室Ⅱ，所述双头活塞的活塞杆穿过所述副气室Ⅱ的前侧壁，所述双头活塞的活塞杆与所述副气室Ⅱ的前侧壁之间形成密封；
所述副气室Ⅰ设置有进气管Ⅰ和泄气管，所述副气室Ⅱ和所述主气室分别设置有进气管Ⅱ和进气管Ⅲ；
所述装弹舱内设置有用于装载和加热试样的弹载加热装置，弹载加热装置为沿前后方向布置圆筒状结构，其后端封闭且前端设置试样出口；
所述弹托分离器的中心设置有用于通过试样的通孔，该通孔与所述弹载加热装置和所述炮管位于同一中轴延长线上，其孔径小于所述弹载加热装置的外径；
所述靶体朝向所述弹托分离器倾斜，且所述弹托分离器的中心通孔的正前方投影位于所述靶体上。
2.根据权利要求1所述用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备，其特征在于：所述炮管、所述装弹舱、所述主气室均通过支座支撑。
3.根据权利要求1所述用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备，其特征在于：所述双头活塞的前活塞为朝向所述装弹舱的锥形结构，其最大直径大于所述装弹舱的后端口口径。
4.根据权利要求1所述用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备，其特征在于：所述双头活塞的活塞杆与所述副气室Ⅱ的前侧壁之间通过密封圈Ⅰ密封。
5.根据权利要求1所述用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备，其特征在于：所述装弹舱包括装弹舱体、装弹舱盖，所述装弹舱体前后相通，且前端口与所述炮管连通，后端口与所述主气室连通并正对所述双头活塞，所述装弹舱体的顶部开口并安装有所述装弹舱盖，所述装弹舱盖与所述装弹舱体之间通过密封圈Ⅱ密封。
6.根据权利要求1所述用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备，其特征在于：所述弹载加热装置内设置有加热器，且外层包裹有保温隔热层。
7.根据权利要求1所述用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备，其特征在于：所述靶体和所述弹托分离器均安装于一个靶室内，所述炮管通向所述靶室，所述靶体通过靶体安装支架固定，所述弹托分离器通过弹托分离器安装支架固定。
8.根据权利要求1或7所述用于研究结构高温高速撞击响应的分离式实验设备，其特征在于：所述弹托分离器包括分离筒、连接在所述分离筒前端的底板、同时与所述分离筒外壁和所述底板焊接的若干分离筋，所述分离筒的前后两端开口，所述分离筒的前端口通向所述靶体且后端口通向所述炮管。
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| CN113109185A (zh) * | 2021-03-02 | 2021-07-13 | 南京航空航天大学 | 一种用于高速硬物冲击试验的高温服役环境模拟装置 |
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